TOSCA Structure拓扑优化从入门到精通
前言：tosca structure软件概述
为了适应愈加残酷的市场竞争环境以及工业产品技术发展的要求，产品的开发周期变得越来越短，而其复杂程度却越来越高。在这种情况下，借助结构优化软件工具能够起到缩短开发周期、节约开发成本和提高产品质量的作用，从而达到全面提升企业竞争力目的。tosca structure系统是德国fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构优化设计软件系统，目前已被广泛应用于汽车、航空、机械制造、加工工业等众多领域，并被奥迪、宝马等世界知名公司所采用，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。自6.2版本起，原有的tosca软件正式更名为tosca structure。
一、tosca structure软件特点
tosca structure是标准无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状和加强筋优化。在优化过程中，可以直接使用已经存在的有限元模型。tosca structure进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，通过采用众多业界认可的优化器进行优化求解，从保证了优化结果的高质量。这样做的另一大优点是用户可以在自己熟悉的求解器以及前后处理环境下工作，而不需培训来熟悉另外一个陌生的软件环境。通过tosca structure内部各程序的相互作用可以完成新产品结构在cad/cae系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。
图1.1 tosca structure数据流程图
二、tosca structure结构优化系统主要模块
tosca structure结构优化系统由tosca structure.gui、tosca structure.topology、tosca structure.shape，tosca structure.bead，tosca structure.post，tosca structure.smooth，tosca structure.report等几个模块组成。以下将分别介绍上述模块的功能和特点。
tosca structure.topology－拓扑优化模块
新产品开发过程中的第一步工作是定义概念阶段结构的设计原则。该设计原则是指确定基于载荷、位移边界条件以及可选设计空间内的一个设计解。该设计解在满足设计要求如强度、刚度或者频率约束等基础上是重量最轻或者成本最优的。tosca structure.topology 能够在给定的可设计空间中，根据指定的所有加载和边界条件计算出一个最佳的设计方案，该方案即可作为一个设计初始样机，为后期详细设计过程打下基础。
tosca structure.topology模块的功能特点：
刚度不变前提下的体积最小化；
体积不变前提下的刚度最大化；
频率满足设计要求的前提下体积最小化；
体积不变前提下的第一频率最大化；
具有处理多工况、多目标、多约束问题的能力；
满足工艺加工要求；
网格自适应优化技术；
材料分布等势面的vrml, stl 或 fe-表面网格划分输；
优化结果可以在tosca structure.smooth中进行进一步处理；
图2.1 audi公司汽车联接臂的拓扑优化设计
tosca structure.shape－形状优化模块
概念设计阶段的下一阶段是设计的改进过程。在应力分析基础上，对结构的表面几何形状进行不断的修正和改进，直到达到要求的应力水平为止。该过程过去通常采用试做方法手工进行。但是tosca structure.shape模块可以自动完成该改进过程。现存的需要改进的设计或者前面拓扑优化过程的结果的表面形状会在有限元分析结果的基础上进行不断的改进，直到达到要求的优化目标。
tosca structure.shape模块的功能特点：
减小应力集中；
改善结构耐久性；
提高自然频率；
满足工艺加工要求；
图2.2 连杆形状优化设计
tosca structure.bead－加强筋优化模块
tosca structure.bead 采用德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会（ipek）开发的算法库对金属板结构进行加强筋优化以提高其刚度和自然频率或者降低噪音和振动。
tosca structure.bead模块的功能特点：
提高结构刚度或自然频率；
减振降噪；
精确确定条纹的高度和宽度；
计算结果清晰明确，能够被精确制造；
图2.3 油底壳加强筋优化
tosca structure.smooth－平滑模块
在虚拟产品开发过程中，需要将优化结果返回到cad系统中以完成该过程的闭环。tosca structure.smooth可以将优化结果输出到目前大多数的cad开发系统中去。该模块可以从拓扑优化计算结果中得到材料分布的等势面，然后对该等势面进行平滑处理，最终得到的光滑优化表面，并可以以几种不同的数据格式输出。tosca structure.smooth形状优化结果也可以以相同的格式被转化为cad数据模型。
tosca structure.smooth模块的功能特点：
拓扑优化结果的材料分布等势面计算；
外形平滑化并简化cad输出结果数据；
输出为cad系统的匹配文件格式；
输出为快速3d可视化的vrml文件格式；
输出为用作网格重新划分和分析的patran neutral；
tosca structure.shape形状优化结果输出及数据简化；
图2.4 拓扑优化平滑结果与快速加工制造产品
tosca structure.gui－统一界面
tosca structure.gui是最优化设计中用来定义任务、开始运行以及后处理的直观用户图形界面。
tosca structure.gui具有下面的特点：
独立的java控件平台；
从有限元模型中输入节点和单元体系；
生成tosca所需的新的或者改进后的优化参数文件；
树形结构保证了tosca各种功能的快速工作流程和清晰显示；
定义标准优化任务的框架技术；
具有tosca各个模块间的任务数据传递功能；
向不同的后处理器输出结果；
图2.5 tosca structure.gui统一界面
三、tosca structure 在3d打印应用
案例实操1-悬臂梁结构优化
如图3.1所示的悬臂梁结构优化，以刚度最大化为目标，45%体积比约束。考虑到加工因素，外层单元在优化迭代中不变，即仅内层结构的单元密度在优化迭代过程中可变。
图3.1 长悬臂梁结构
在tosca软件中，包括手动命令和自动向导两种模式设置优化模型。自动向导模式具有易于上手学习、步骤清晰等优点。
在tosca structure.gui下点击file菜单下的tosca.wizard，进入向导标准步骤下的优化模型设置。
步骤1－优化类型。如图3.2所示，优化类型包括拓扑优化(topology optimization)、形状优化(shape optimization)和加强筋优化(bead optimization)三类。本算例选择拓扑优化类型。
图3.2 步骤1－优化类型
步骤2－模型信息。如图3.3所示，主要内容为有限元模型输入文件信息和其它模型信息。本算例选择在fe-model中选择airbeam.inp文件，其余额外信息忽略。
图3.3 步骤2－模型信息
步骤3－设计变量区域。如图3.4所示，主要内容为选择优化区域，缺省为全部单元(all_elements)，或者采用创建新的单元组方法。本算例选择全部单元作为设计区域。
图3.4 步骤3－设计变量区域
步骤4－优化任务。如图3.5所示，主要内容为定义优化目标与约束条件。缺省优化目标为刚度最大化(maximize stiffness)。其它优化目标包括基频最大化(maximize the lowest eigenfrequencies)、体积最小化(minimize the volume)。缺省约束条件为体积比约束30.0%，其它约束条件为节点位移约束条件。本算例选择刚度最大化为目标，体积比约束为45.0%。
图3.5 步骤4－优化任务
步骤5－冻结区域。如图7所示，主要内容为定义冻结区域即非参与优化区域。本算例勾选define a frozen area选项，在existing group中选择frozen_elements.
图3.6 步骤5－冻结区域
步骤6－拔模制造约束。如图3.7所示，主要内容为定义拔模制造约束的组、拔模方向等。由于本算例为平面结构，忽略拔模制造约束。
图3.7 步骤6－拔模制造约束
步骤7－总结。如图3.8所示，主要内容为上述步骤内容汇总。
图3.8 步骤7－总结
设置完成上述向导步骤后，得到如图3.9所示的tosca structure.gui界面。在file菜单下点击save，保存文件名airbeam.par，其中.par表示单词参数parameter的缩写。在界面左边是参数文件包含的命令，具有text/compact/tree三种显示模式，分别点击左小角对应的卡片可在不同模式间进行切换。
图3.9 gui界面
如图3.10所示，切换至start tosca structure界面，点击start tosca按钮，运行tosca structure直至计算完毕。
图3.10
案例实操2-支座的拓扑优化
原始支座结构如图所示
图3.11 支座结构受力
为了实现轻量化设计，设置如图3.12所示的优化区域
图3.12 优化区域设置
优化模型采用刚度最大化设计 ，20%体积比约束，优化区域采用平面对称(对称面与z轴垂直)。
拓扑优化结果如图3.13~3.14所示，根据拓扑优化结果得到的改进结构1，2如图3.15~3.16所示。
图3.13 拓扑优化结果
图3.14 拓扑优化光顺结果
图3.13 改进结构1
图3.14 改进结构2
对改进结构进行有限元分析，位移和应力如图3.15所示。
(a) 位移云图
(b) 应力云图
图3.15 改进结构有限元分析
原文标题：【案例实操】tosca拓扑优化从入门到精通
文章出处：【微信公众号：模拟在线】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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频率满足设计要求的前提下体积最小化；
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具有处理多工况、多目标、多约束问题的能力；
满足工艺加工要求；
网格自适应优化技术；
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优化结果可以在tosca structure.smooth中进行进一步处理；
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tosca structure.shape－形状优化模块
概念设计阶段的下一阶段是设计的改进过程。在应力分析基础上，对结构的表面几何形状进行不断的修正和改进，直到达到要求的应力水平为止。该过程过去通常采用试做方法手工进行。但是tosca structure.shape模块可以自动完成该改进过程。现存的需要改进的设计或者前面拓扑优化过程的结果的表面形状会在有限元分析结果的基础上进行不断的改进，直到达到要求的优化目标。
tosca structure.shape模块的功能特点：
减小应力集中；
改善结构耐久性；
提高自然频率；
满足工艺加工要求；
图2.2 连杆形状优化设计
tosca structure.bead－加强筋优化模块
tosca structure.bead 采用德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会（ipek）开发的算法库对金属板结构进行加强筋优化以提高其刚度和自然频率或者降低噪音和振动。
tosca structure.bead模块的功能特点：
提高结构刚度或自然频率；
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精确确定条纹的高度和宽度；
计算结果清晰明确，能够被精确制造；
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输出为cad系统的匹配文件格式；
输出为快速3d可视化的vrml文件格式；
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从有限元模型中输入节点和单元体系；
生成tosca所需的新的或者改进后的优化参数文件；
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具有tosca各个模块间的任务数据传递功能；
向不同的后处理器输出结果；
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步骤1－优化类型。如图3.2所示，优化类型包括拓扑优化(topology optimization)、形状优化(shape optimization)和加强筋优化(bead optimization)三类。本算例选择拓扑优化类型。
图3.2 步骤1－优化类型
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步骤6－拔模制造约束。如图3.7所示，主要内容为定义拔模制造约束的组、拔模方向等。由于本算例为平面结构，忽略拔模制造约束。
图3.7 步骤6－拔模制造约束
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图3.9 gui界面
如图3.10所示，切换至start tosca structure界面，点击start tosca按钮，运行tosca structure直至计算完毕。
图3.10
案例实操2-支座的拓扑优化
原始支座结构如图所示
图3.11 支座结构受力
为了实现轻量化设计，设置如图3.12所示的优化区域
图3.12 优化区域设置
优化模型采用刚度最大化设计 ，20%体积比约束，优化区域采用平面对称(对称面与z轴垂直)。
拓扑优化结果如图3.13~3.14所示，根据拓扑优化结果得到的改进结构1，2如图3.15~3.16所示。
图3.13 拓扑优化结果
图3.14 拓扑优化光顺结果
图3.13 改进结构1
图3.14 改进结构2
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(a) 位移云图
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